有時(shí)，物種的進(jìn)化歷史可以在化石記錄中找到。其他時(shí)候，巖石和印記必須換成DNA和遺傳指紋。后者是適合你的胡蘿卜的案例，這是一種頂級(jí)作物，其完整的遺傳密碼剛剛由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校園藝學(xué)教授和遺傳學(xué)家Phil Simon領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員破譯。西蒙還是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)部的研究科學(xué)家，該部門(mén)為這項(xiàng)工作提供資金支持。該研究發(fā)表在Nature Genetics期刊上。

它講述了胡蘿卜是如何被馴化和繁殖實(shí)踐所觸及并受到環(huán)境和地質(zhì)變化影響的故事，并且它填充了親屬的家譜，否則這些親屬看起來(lái)不同。它還揭示了胡蘿卜如何很好地積累類(lèi)胡蘿卜素，這種色素化合物賦予它們特有的顏色并為它們提供營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)度。

“胡蘿卜作為一種作物享有良好的聲譽(yù)，我們知道這是一種重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源 - 特別是維生素A，”西蒙說(shuō)。“現(xiàn)在，我們有機(jī)會(huì)深入挖掘，這對(duì)于改善作物的工具箱來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的補(bǔ)充。”從研究中獲得的知識(shí)也可以改善類(lèi)似的作物，從歐洲防風(fēng)草到黃色肉質(zhì)木薯，這是非洲大部分地區(qū)的主食。

“這是一個(gè)重要的公私合作項(xiàng)目，基因組信息已經(jīng)可用于幫助改善胡蘿卜特性，如提高β-胡蘿卜素水平，耐旱性和抗病性，”共同作者Allen Van Deynze說(shuō)。加州大學(xué)戴維斯種子生物技術(shù)中心的研究。“展望未來(lái)，基因組將成為胡蘿卜分子育種的基礎(chǔ)。”

胡蘿卜作為馴化的根莖作物具有悠久的歷史。第一批栽培的胡蘿卜出現(xiàn)在1100年前的中亞地區(qū)。這些胡蘿卜不像白色的野生祖先 - 紫色和黃色。規(guī)范的橙色胡蘿卜后來(lái)出現(xiàn)在歐洲的16世紀(jì)，當(dāng)時(shí)為德國(guó)和西班牙藝術(shù)提供了一個(gè)美學(xué)主題。甚至在馴化之前，野生胡蘿卜種子就出現(xiàn)在德國(guó)和瑞士的3000到5000年的原始露營(yíng)地。

該研究無(wú)法回答為什么第一批作物是紫色和黃色，盡管它可以證實(shí)它不是因?yàn)槲兜?。顏色基因和與優(yōu)選香料相關(guān)的基因沒(méi)有關(guān)聯(lián)。但是那種有色胡蘿卜變得流行是偶然的：顏料是使它們營(yíng)養(yǎng)的原因，橙色胡蘿卜是最有營(yíng)養(yǎng)的，Simon說(shuō)。胡蘿卜是美國(guó)飲食中最豐富的維生素A來(lái)源。

新的研究揭示了橙色是如何發(fā)生的。“橙色色素的積累是一種通常不會(huì)發(fā)生的積累，”西蒙說(shuō)，他是世界上少數(shù)胡蘿卜研究人員之一，還有另一位威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家歐文·戈德曼(Irwin Goldman)。“現(xiàn)在，我們知道基因是什么以及他們做了什么。”

研究小組使用南特胡蘿卜 - 一種以法國(guó)城市命名的鮮橙色蔬菜 - 來(lái)組裝和分析完整的基因序列，凝視著驅(qū)動(dòng)胡蘿卜進(jìn)化的機(jī)器，以及隨著時(shí)間推移而留下的面包屑。

胡蘿卜基因組包含超過(guò)32,000個(gè)基因，排列在9條染色體中，這些基因編碼抗病蟲(chóng)害，彩色類(lèi)胡蘿卜素等。類(lèi)胡蘿卜素，如α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素，最初是在胡蘿卜中發(fā)現(xiàn)的。

研究人員發(fā)現(xiàn)了與葡萄和西紅柿，獼猴桃和土豆等遠(yuǎn)緣植物有關(guān)的特征。胡蘿卜最近從萵苣中分離出來(lái)，與香料和茴香等香料作物屬于同一家族。

研究人員還對(duì)35種不同類(lèi)型的胡蘿卜進(jìn)行了測(cè)序，以便將它們與野生祖先進(jìn)行比較。他們表示胡蘿卜首先在中東和中亞馴化，證實(shí)了Vavilov多樣性中心理論，該理論預(yù)測(cè)栽培植物來(lái)自特定區(qū)域而非隨機(jī)。

他們還了解到，在白堊紀(jì)和古近紀(jì)時(shí)期之間的某個(gè)時(shí)間 - 大約在恐龍滅絕的時(shí)候 - 胡蘿卜獲得了與其他植物相同的遺傳優(yōu)勢(shì)，使它們能夠茁壯成長(zhǎng)。

此外，該研究證實(shí)，一種名為Y的基因負(fù)責(zé)白胡蘿卜與黃色或橙色胡蘿卜之間的差異，并且其變異導(dǎo)致類(lèi)胡蘿卜素的積累。

但它也發(fā)現(xiàn)了一種新的，以前未知的新基因，它有助于豐富多彩的化合物的積累。這兩個(gè)基因都是隱性的，這意味著類(lèi)胡蘿卜素需要兩個(gè)副本才能在植物中積累，這實(shí)際上是代謝途徑中的一個(gè)缺陷，似乎與光敏感有關(guān)。

植物通過(guò)光感或光合作用獲得自己的營(yíng)養(yǎng)，但像胡蘿卜這樣的根通常不會(huì)暴露在光線(xiàn)下，也不需要光合色素如類(lèi)胡蘿卜素。“這是植物在光照下生長(zhǎng)時(shí)通常使用的基因的再利用，”西蒙說(shuō)。

看來(lái)這些基因是由早期種植者無(wú)意中選擇的，西蒙認(rèn)為它可能只是為了幫助早期的家畜 - 可能是女性 - 區(qū)分野生胡蘿卜和他們打算種植的植物。

“他們可以通過(guò)選擇只有紫色或黃色的野生胡蘿卜來(lái)保持他們的莊稼'干凈'，只選擇紫色或黃色的那些，”西蒙說(shuō)，他開(kāi)玩笑說(shuō)：“或者這可能是十世紀(jì)的食物時(shí)尚，橙色在16日。“

全球胡蘿卜消費(fèi)量在1976年至2013年間翻了兩番，在過(guò)去40年中，通過(guò)選擇更加強(qiáng)烈的橙色作物，育種導(dǎo)致更多營(yíng)養(yǎng)豐富的胡蘿卜。事實(shí)上，胡蘿卜今天的胡蘿卜素含量比1970年增加了50%。

雖然大多數(shù)美國(guó)人并不缺乏維生素A，但它被認(rèn)為是一種必需的營(yíng)養(yǎng)素，缺乏癥是一些美國(guó)社區(qū)和世界各地的問(wèn)題。雖然該研究可能無(wú)法解決問(wèn)題，但它確實(shí)突出了胡蘿卜為改善其他國(guó)家的健康和經(jīng)濟(jì)成果而提供的機(jī)會(huì)。

“在全球范圍內(nèi)，我們分發(fā)維生素A膠囊，但為什么不讓人們自己種植?” 西蒙問(wèn)道。“在一平方米的面積上，你可以每年種植一批胡蘿卜，以養(yǎng)活六個(gè)成年人。你可以在半年內(nèi)生長(zhǎng)一半，在六個(gè)月內(nèi)生長(zhǎng)一半，為你提供可持續(xù)的維生素A來(lái)源和市場(chǎng)上有價(jià)值的作物“。

該研究還通過(guò)利用新技術(shù)回答有關(guān)栽培作物的基本問(wèn)題，反映了植物育種者的運(yùn)作方式。

“它告訴我們關(guān)于我們預(yù)期但以前不知道的基因組的事情，”西蒙說(shuō)。“每種作物都有一個(gè)故事要講。”